【正文】 出n=f(t)曲線, 并轉(zhuǎn)移到坐標紙上。通過改變變阻器的阻值，改變Id,測出不同的Ud, Up, ，為防止因電樞轉(zhuǎn)軸不同心，而影響電刷接觸電阻。所以將其提前敘述，使數(shù)學模型的闡述部分和工程設計方法部分聯(lián)系緊密，銜接自然。這樣，在設計實際系統(tǒng)時,只要根據(jù)上述工程設計方法把它校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式,就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算。第2章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學模型 數(shù)學模型的參數(shù)測定本調(diào)速系統(tǒng)的工程設計方案是建立在對典型系統(tǒng)作比較深入的研究,把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當作預期的特性,弄清楚它們的參數(shù)和系統(tǒng)性能指標的關系,寫成簡單的公式或制成簡明的圖表基礎上的。結(jié)合曲線對由不同方法設計出的調(diào)速系統(tǒng)的性能進行比較研究，從而得到性能指標較為理想的系統(tǒng)模型。 經(jīng)典控制部分首先了解雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，然后應用工程設計方法，分別進行主電路、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設計,并應用MATLAB語言中的SIMULINK工具箱對系統(tǒng)進行仿真。應用到雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，先從電流環(huán)入手，按上述原則設計好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個等效環(huán)節(jié)，再設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。設計電機調(diào)速系統(tǒng)時應綜合考慮各方面的因素,按全局最優(yōu)的觀點正確選擇合理的階次[4]。關于工程設計：直流電機調(diào)速系統(tǒng)是一個高階系統(tǒng),其設計非常復雜。因而同時對速度和電流進行控制，成為實現(xiàn)高動態(tài)性能電機控制系統(tǒng)所必須完成的工作。可要實現(xiàn)高精度和高動態(tài)性能的控制，不僅要控制速度，同時還要控制速度的變化率也就是加速度。按反饋控制原理組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)是減小或消除靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落的有效途徑。該調(diào)速方法可以實現(xiàn)大范圍平滑調(diào)速，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)速方案。目前已經(jīng)有人研制成功了基于開放式自由軟件Linux操作系統(tǒng)的數(shù)字式伺服系統(tǒng)。 內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)的控制器正在進入電動機控制領域當今是網(wǎng)絡時代，信息化的電動機自動控制系統(tǒng)正在悄悄出現(xiàn)。第二是在辨識，參數(shù)估值以及控制算法魯棒性方面的理論和方法的成熟，使得應用現(xiàn)代控制理論能夠取得更好的控制效果。 應用現(xiàn)代控制理論在過去，人們感到自動控制理論的研究發(fā)展很快，但是在應用方面卻不盡人意。電力電子器件的發(fā)展，使稱為第二代電力電子器件之一的大功率晶體管（GTR）得到了越來越廣泛的應用。智能功率模塊（IPM）的廣泛應用，使得新型電動機自動控制系統(tǒng)的體積更小，可靠性更高。 本課題國內(nèi)、外研究應用情況近30年來，電力拖動系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其它電動機的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機仍然是大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。有效地控制電機，提高其運行性能，對國民經(jīng)濟具有十分重要的現(xiàn)實意義。哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文）第1章 緒論 課題的背景、目的及意義電機自動控制系統(tǒng)廣泛應用于機械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織，軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機械都采用電動機作原動機。20世紀90年代前的大約50年的時間里，直流電動機幾乎是唯一的一種能實現(xiàn)高性能拖動控制的電動機，直流電動機的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互獨立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動機具有優(yōu)良的起動，制動和調(diào)速性能。因為它具有良好的線性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點。本次設計的主要任務就是應用自動控制理論和工程設計的方法對直流調(diào)速系統(tǒng)進行設計和控制，設計出能夠達到性能指標要求的電力拖動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，通過在DJDK1型電力電子技術及電機控制試驗裝置上的調(diào)試,并應用MATLAB軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。但技術革新是永無止盡的，為了進一步提高電動機自動控制系統(tǒng)的性能，有關研究工作正圍繞以下幾個方面展開： 采用新型電力電子器件電力電子器件的不斷進步，為電機控制系統(tǒng)的完善提供了物質(zhì)保證，新的電力電子器件正向高壓，大功率，高頻化和智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)直流電動機的整流裝置采用晶閘管，雖然在經(jīng)濟性和可靠性上都有一定優(yōu)勢，但其控制復雜，對散熱要求也較高。由于晶體管是既能控制導通又能控制關斷的全控型器件，其性能優(yōu)良，以大功率晶體管為基礎組成的晶體管脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動中使用呈現(xiàn)越來越普遍的趨勢。但近年來，現(xiàn)代控制理論在電動機控制系統(tǒng)的應用研究方面卻出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的興旺景象，這主要歸功于兩方面原因：第一是高性能處理器的應用，使得復雜的運算得以實時完成。 采用總線技術現(xiàn)代電動機自動控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上有朝總線化發(fā)展的趨勢，總線化使得各種電動機的控制系統(tǒng)有可能采用相同的硬件結(jié)構(gòu)。這種控制系統(tǒng)采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件平臺上工作，控制系統(tǒng)自身就具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)的上網(wǎng)功能，這樣就為遠程監(jiān)控和遠程故障診斷及維護提供了方便。 本課題采用的技術方案及技術難點根據(jù)本課題的實際情況，宜從以下三個方面入手分析：1．.直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學模型2．雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設計3．應用MATLAB軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正本課題所涉及的調(diào)速方案本質(zhì)上是改變電樞電壓調(diào)速。但電機的開環(huán)運行性能（靜差率和調(diào)速范圍）遠遠不能滿足要求。轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)是調(diào)速系統(tǒng)的基本反饋形式。由電動機的運動方程可知，加速度與電動機的轉(zhuǎn)矩成正比關系，而轉(zhuǎn)矩又與電動機的電流成正比。因而也就有了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。本設計利用階次優(yōu)化的原理對系統(tǒng)的工程設計方法進行了分析。工程設計方法的基本思路是先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度；再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標。 本設計的主要研究內(nèi)容 建立系統(tǒng)的數(shù)學模型分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，列寫雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并畫出其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 仿真部分簡單介紹MATLAB語言及SIMULINK工具箱，重點運用SIMULINK工具箱對系統(tǒng)進行仿真,獲得系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線及其頻率特性曲線。并嘗試性地提出改進方案。因此我們需要先對數(shù)學模型的參數(shù)進行測定。但參數(shù)測定不是本次設計的重點，只作為輔助內(nèi)容。 測定電樞回路的電磁時間常數(shù)TL 測定電樞回路總電阻RΣ 通過測定Rn,RD,RP 得到RΣ 其中 Rn—晶閘管等效電阻 RP—平波電抗器等效電阻 RΣ—電樞回路的總電阻 RD—電動機電樞電阻考慮到參數(shù)的非線性，應用伏安法測量。將電樞轉(zhuǎn)動三次，取測量的平均值。GD2=375M0Q/(?n/?t)Q==此時有 Tm=RΣGD2/375CeCm=RΣGD2/(30/ )Ce2=**(30/)*=(ms) 測定觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)KS 在按線性系統(tǒng)規(guī)律進行分析和設計時，應該把這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)KS當作常數(shù)，但實際上觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似成線性環(huán)節(jié)。設計任務書中給出了本系統(tǒng)調(diào)速指標的要求。在以下四項中，前兩項屬于穩(wěn)態(tài)性能指標，后兩項屬于動態(tài)性能指標 調(diào)速范圍D 生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，即 （21） 靜差率s 當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率，即 （22）靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。具體的跟隨性能指標有下列各項：上升時間，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間. 抗擾性能指標 此項指標表明控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力，它由以下兩項組成：動態(tài)降落，恢復時間. 調(diào)速系統(tǒng)的兩個基本矛盾在理解了本設計需滿足的各項指標之后，我們會發(fā)現(xiàn)在權(quán)衡這些基本指標的兩個矛盾，即1) 動態(tài)穩(wěn)定性與靜態(tài)準確性對系統(tǒng)放大倍數(shù)的要求互相矛盾；2) 起動快速性與防止電流的沖擊對電機電流的要求互相矛盾[5]。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速啟制動，突加負載動態(tài)速降小等等，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。無法解決第二個基本矛盾。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。t0nIdnnIdnIdlt0Idla) b)圖22 調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形a) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程 b) 理想快速啟動過程當電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。為此，在電機最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下,希望充分地利用電機的過載能力,最好是在過渡過程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值,使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動,到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即降低下來,使轉(zhuǎn)矩馬上與負載平衡,起動電流呈方形波,而轉(zhuǎn)速是線性增長的。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖22b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的實現(xiàn)。 調(diào)速系統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)原理見圖23：圖23 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動過程波形的。從起動時間上看，第二段恒流升速是主要階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了在電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優(yōu)控制”。其起動過程波形如圖24所示。突加給定電壓Un*后,通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，當Id≥IdL后，電動機開始轉(zhuǎn)動。當Id≈Idm時，Ui≈Uim*，電流調(diào)節(jié)器的作用使I不再迅猛增長，標志著這一階段的結(jié)束。第II階段是恒流升速階段。在這個階段中ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速成線性增長。在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim*，